Entwurf des Gießprozesses und Versuchsproduktion von Druckschalengussteilen aus Aluminiumlegierung

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Strukturelle Eigenschaften und Anforderungen an Gussteile

Die Grundgröße des Druckschalengusses beträgt 157,8 mm x 151,1 mm x 64,6 mm, das Material ist AlSi7Mg0,3 und das Gewicht beträgt 0,91 kg. Das dreidimensionale Modell und die Hauptabmessungen des Gussstücks sind in Abbildung 1 dargestellt, bei dem es sich um ein kleines und komplexes Teil handelt. Zu seinen technischen Anforderungen gehören: Ungefüllte Gusstoleranzen sollten BS6615/ISO 8062 und der technischen Norm E3-20 entsprechen, Mängel sollten der technischen Spezifikation E4-05-006 entsprechen und Gussteile sollten relevante Qualitätsanforderungen in den Materialspezifikationen erfüllen. Die Mindestwandstärke des Gussstücks beträgt 4 mm. Grate, Grate und Vorsprünge auf mehreren Oberflächen sind nicht zulässig. Daher müssen die Gießposition und die Trennfläche berücksichtigt werden. Darüber hinaus liegt der maximale Querschnitt des Gussteils nicht auf derselben Ebene, sodass die Trennfläche angemessen gestaltet werden kann.

Abb.1 Dreidimensionales Modell und Umrissgröße des Gussstücks

Die Wandstärke des Mittelteils und des vertikalen Flansches des Druckschalengusses ist relativ groß, wodurch sich während des Erstarrungsprozesses leicht heiße Stellen und Schrumpfungsfehler bilden können. Daher werden an diesen beiden Positionen Steigleitungen zur Beschickung hinzugefügt.

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Design des Gießprozesses

2.1 Gießposition und Trennfläche

Bestimmen Sie zunächst die Gießposition und die Trennfläche. Da zum Formen die digitale formlose Guss-Präzisionsformmaschine verwendet wird, muss bei der Gestaltung der Gießposition und der Trennfläche berücksichtigt werden, ob die Maschine die entsprechende Sandform und den entsprechenden Sandkern ausfräsen kann. Nachdem Sie das Gussverfahrenshandbuch konsultiert und die Vor- und Nachteile verschiedener Gießpositionen verglichen haben, wählen Sie die Gießposition und die Trennfläche wie in Abbildung 2 dargestellt. Der Vorteil besteht darin, dass sich die Stelle mit der größten Wandstärke im oberen Teil befindet, was der Realisierung einer sequentiellen Erstarrung förderlich ist, und dass sich die Messreferenzebene im unteren Teil befindet. Es ist einfach, die Gussqualität sicherzustellen; Die Trennfläche ist im Allgemeinen flach und teilweise gekrümmte Oberflächentrennung, die Form ist relativ einfach und es gibt keine Ebene, die die technischen Anforderungen der Zeichnung beeinflusst (Blitze, Grate und Vorsprünge sind bei mehreren Oberflächenanforderungen nicht zulässig).

Abbildung 2 Gießposition und Trennfläche

2.2 Sandkern- und Anschnittsystemdesign

Entsprechend der Gussstruktur werden zwei Sandkerne entworfen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abb.3 Dreidimensionales Modelldiagramm zweier Sandkerne

Da es sich bei dem Stück um einen kleinen Aluminiumguss handelt, ist nach Prüfung des Gusshandbuchs und der zugehörigen Informationen bekannt, dass der Aluminiumguss hauptsächlich ein offenes Gießsystem verwendet. Das offene Angusssystem kann sicherstellen, dass die Durchflussrate der Füllflüssigkeit beim Befüllen der Form niedrig ist, so dass die Füllung stabil ist, und es kann auch turbulente Strömungen und Oxidfilmbeteiligungen vermeiden, um sicherzustellen, dass das geschmolzene Metall, das in den Hohlraum eintritt, relativ rein ist, sodass dieser Prozess angewendet wird. Bei einem offenen Angusssystem beträgt das Querschnittsverhältnis jedes Angusskanals ΣA gerade: ΣA horizontal: ΣA innen = 1:1,4:1,3. Darüber hinaus fließt das geschmolzene Metall beim Mittelguss-Gießsystem von der Mitte in den Hohlraum. Da es sich bei der Struktur des Teils um eine Turbinenschalenstruktur handelt, kann es während des Füllvorgangs leicht zu Lufteinschlüssen kommen. Daher wird der Innenkanalteil mit seitlicher Einspritzung entlang der tangentialen Richtung gefüllt, wodurch die Luft reduziert werden kann

Abbildung 4 Anschnittsystemdesign (a) 1 # Sandkern

Für die Gießzeit einer Aluminiumlegierung kann die folgende empirische Formel zur Berechnung verwendet werden:

In der Formel: t ist die Gießzeit, s; s ist der Koeffizient, im Allgemeinen s = 3; G ist das Gesamtgewicht des geschmolzenen Metalls in der Form, kg.

Daraus errechnet sich die Gießzeit zu t=3,27s. Um die Gießzeit beim tatsächlichen Gießen zu kontrollieren, wird die Gießzeit mit 3 s angenommen.

Konsultieren Sie das Handbuch zur Aluminiumlegierung und verwenden Sie die Formel (2), um die Querschnittsfläche des Angusses zu berechnen:

In der Formel: ΣA ist die Gesamtquerschnittsfläche des engsten Teils des Angusses, cm²; η ist ein Koeffizient, normalerweise 0,04 bis 0,07; H ist die durchschnittliche Druckhöhe, cm, und die Berechnungsformel ist in Formel (3) dargestellt.

In der Formel: H0 ist die Höhe des Angusses über dem Innenkanal, cm; h0 ist die Höhe des Gussteils über der Innenschiene, cm; h ist die Höhe des Gussstücks, cm.

Die berechnete Querschnittsfläche des Angusses beträgt 2 cm². Der Querschnitt und die Abmessungen jedes Teils des Angusssystems, die sich schließlich durch Berechnung ergeben, sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Querschnitt und Abmessungen jedes Teils des Angusssystems

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Vorläufige Simulation und Analyse des Gießprozesses

Der Vorprozess des Druckschalengusses wurde mit der ProCAST-Software simuliert. Die Simulationsergebnisse des Füll- und Erstarrungsprozesses sind in Abbildung 6 und Abbildung 7 dargestellt.

Abb.6 Füllgeschwindigkeitsfeld des Gussstücks zum Zeitpunkt 1,1 s

Abb.7 Füll- und Erstarrungstemperaturfeld des Gussstücks bei 3 s

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Metallschmelze entlang des Innenkanals gegen die Hohlraumwand gespritzt wird und dann nach und nach den Hohlraum füllt. Während des gesamten Füllvorgangs fließt die Metallschmelze relativ gleichmäßig und ohne erkennbare Gasmitnahme. Die Simulationsergebnisse der Schrumpfporosität und des Schrumpfhohlraums des Druckschalengusses sind in Abb. 8 dargestellt.

Abb.8 Simulationsergebnisse von Schrumpfhohlraum und Schrumpfporosität

Aus Abbildung 8 ist ersichtlich, dass sich die Schrumpfungshohlräume und Porositätsdefekte mit Ausnahme des Angusssystems hauptsächlich oben und im dicken Teil nahe der Mitte des Gussstücks konzentrieren und eine kleine Anzahl von Defekten auch im unteren Teil des Flansches und an der hinteren Nabe des Flansches auftritt. Der Hauptgrund für diese Mängel liegt darin, dass die durchschnittliche Wandstärke dieser Teile relativ groß ist und die Wärmeableitung nicht einfach ist.

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Optimierung des Gießprozesses

Basierend auf den Formeigenschaften von Druckschalengussteilen und den oben genannten Simulationsergebnissen wird der Gussprozess optimiert und das obere Steigrohr entworfen. Der Zweck der Einstellung des oberen Steigrohrs besteht darin, die Oberseite des Gussstücks zu beschicken, um so die Dicke der Oberseite und der Mitte des Gussstücks zu beseitigen. Teilweiser Schrumpfhohlraum und Schrumpfporositätsdefekte. Gleichzeitig wird oben am Flansch ein flaches Luftauslass-Steigrohr angebracht, das die Flüssigkeit und die Erstarrungsschrumpfung des Flansches zuführen kann und mit einem halbkreisförmigen konformen Kalteisen an der Unterseite des Flansches zusammenarbeitet, um die Methode anzupassen. Die Temperaturfeldverteilung des Flanschteils wird verwendet, um kleine Mengen an Schrumpfhohlräumen und Schrumpfporositätsdefekten im Flanschteil zu beseitigen. Darüber hinaus wurden vier runde Luftauslässe hinzugefügt, um hauptsächlich den Gasaustritt im Hohlraum zu verbessern. Das optimierte Gussprozessschema ist in Abbildung 9 dargestellt. Die Simulationsergebnisse von Schrumpfhohlraum- und Schrumpfporositätsdefekten werden in Abbildung 10 unter Verwendung der ProCAST-Software zur Simulation dargestellt.

Abbildung 9 Optimiertes Gießprozessschema

Abb. 10 Simulationsergebnisse von Schrumpfungshohlräumen und Porositätsdefekten eines optimierten Prozessschemas

Aus Abbildung 10 ist ersichtlich, dass der Schrumpfhohlraum und die Schrumpffehler im Hauptkörper des Druckschalengussteils alle beseitigt sind. Daher wurde das in Abbildung 9 dargestellte endgültige Gießverfahrensschema für die Produktionsversuchsproduktion übernommen.

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Tatsächliche Herstellung von Druckschalengussteilen

5.1 Formenverarbeitung

Harzsand wird für die numerisch gesteuerte Bearbeitung der Oberform, der Unterform und des Sandkerns mit einer digitalen formlosen Präzisionsgussmaschine (Modell: CAMTC-SMM2000) verwendet. Verwenden Sie das Verarbeitungsmodul der UG-Software, um den Verarbeitungswerkzeugpfad für Sandform und Sandkern zu generieren. Das für die Grobbearbeitung verwendete Werkzeug ist ein flaches Messer mit einem Durchmesser von 8 mm. Füttern, zwischen den Schichten schneiden.

Malen Sie die alkoholbasierte Zirkonpulverfarbe auf die bearbeitete Sandform bzw. den Sandkern. Die bemalte Sandform und der Sandkern sind in Abbildung 11 dargestellt. Die untere Form mit zusammengebautem Sandkern ist in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 11 Mit Farbe bemalte Sandformen und Sandkerne

Abbildung 12 Untere Form mit zusammengebautem Sandkern

5.2 Schmelzen und Gießen von Aluminiumlegierungen und Nachbehandlung von Gussteilen

Anschließend die Form einsetzen und zum Ausgießen vorbereiten. Geben Sie das erforderliche Gewicht des Gusslegierungsbarrens AlSi7Mg0,3 (ZL101A) zum Erhitzen und Schmelzen in den Tiegel-Widerstandsofen, stellen Sie die Schmelztemperatur auf 750 °C und die Gießtemperatur auf (730 ± 5) °C ein. Für die Schmelzebehandlung wird ein spezielles Entgasungs- und Schlackenentfernungsmittel für Aluminiumlegierungen verwendet, und Al-5Ti-1B wird für die Modifizierungsbehandlung der Aluminiumlegierungsschmelze verwendet.

Nachdem das Gussstück eine Stunde lang abgekühlt war, wurde es verpackt und ausgeschüttelt, und Grate und Grate an der Trennfläche des Gussstücks wurden mit Werkzeugen gereinigt. Das letztendlich erhaltene Gussstück (mit Gießvorgang) ist in Abbildung 13 dargestellt.

Die Qualitätsprüfung der Gussteile wird durchgeführt und die Größe entspricht den Anforderungen von BS6615/ISO8062 und der technischen Norm E3-20. Es ist ersichtlich, dass die Mängel den Anforderungen der technischen Spezifikation E4-05-006 entsprechen und die chemische Zusammensetzung den relevanten Qualitätsanforderungen der nationalen Standardspezifikation „Aluminiumgusslegierung“ entspricht.

Abbildung 13 Der eigentliche Guss der Probeproduktion (einschließlich des Gießprozessteils)

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abschließend

(1) Entsprechend den strukturellen Eigenschaften kleiner Druckschalengussteile wurde ein vollständiger Gussprozessentwurf durchgeführt und eine Testproduktion unter Verwendung der digitalen formlosen Präzisionsgussumformtechnologie durchgeführt. Die erhaltenen Gussteile erfüllten die technischen Anforderungen der Zeichnungen und der Schwerkraft. Das Gussverfahren bildet eine technologische Grundlage für den nächsten Schritt des Pilotversuchs und der Großserienproduktion und bietet auch eine gewisse Referenz für die Gussprozessgestaltung anderer Druckschalengussteile.

(2) Die Ausbeute von Druckschalengussteilen, die mit dem in diesem Artikel optimierten Verfahren hergestellt werden, beträgt 69 %. Ist eine weitere Verbesserung der Prozessausbeute erforderlich, sind spezielle Gießverfahren wie Metallformguss oder Niederdruckguss erforderlich.

(3) Die digitale formlose Präzisionsguss-Umformtechnologie zeichnet sich durch eine hohe Verarbeitungspräzision von Sandformen und Sandkernen, eine gekrümmte Oberflächenmodellierung, keine Notwendigkeit zur Herstellung von Formen und einen kurzen Produktionszyklus aus. Es eignet sich besonders für die Kleinserienfertigung von Einzelstücken und die Entwicklung von Gussprozessen sowie die Probeproduktion von Gussteilen.

Autor
Ma Yuqi Liu Ruixiang Zeng Wenwen Geschichtsbücher
Wang Chengyun Zhang Wei Xiang Qingchun
Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Technische Universität Shenyang

Yu Weiye
Dalian Bobst Motor Co., Ltd.

Dieser Artikel stammt von: Foundry Magazine